人教版物理教材选修3-5 第十七章第2节《光的粒子性》名师教案

光的粒子性——光电效应

一、概述

本课题为普通高中物理选修（3-5）第五章波和粒子第一节，高三理科班课程，学时一课时。

学习光电效应现象及其解释理论——光电效应方程。

本课教材蕴含着十分丰富的教学内容：在知识方面，本课作为后牛顿物理两大支柱之――量子理论的入门，涉及到量子物理最基础的内容，也是经典物理学与量子物理学的重要衔接；同时本节还有着厚重的物理学科文化积淀，有物理学史、科学方法、辩证唯物主义思想、创新意识等人文精神教育的题材．教材在知识陈述上较为浅显直接，而关于这些知识的“背景”，则是相当丰满、承赋人文，为实施“科学的人文教育价值”提供了很大的空间．

二、核心素养

经历“探究光电效应的规律”过程，让学生获得探究活动的体验，体验探究自然界规律的艰辛与喜悦．陶冶崇尚科学、仰慕科学家，欣赏物理学的奇妙与和谐的情愫．学习科学家敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神，培养判断有关信息是否科学的意识．

三、教学目标

1. 了解光电效应研究史实．了解光子的概念，了解并识别光电效应现象．

2. 能表述光电效应现象的规律，会用光子说解释光电效应现象的规律．

3. 理解光电效应方程的各个物理量的含义及其对光电效应的解释．

四、学情分析

学生已经在3-5第二章学习过原子结构和氢原子光谱与能级结构，对原子微观结构有了一定的认识。知道原子的电离过程本质。高三理科班学生对原子的微观机理有一定的兴趣，但是，微观世界的抽象性会成为学生理解过程的主要障碍。急于求成、重视结论型陈述、轻视物理探究史实和逻辑推理是不少理科生学习原子物理相关理论的通病，这也是这一部分知识遗忘率高的原因。

五、教学过程

课前：登陆优教平台，发送预习任务。根据优教平台上学生反馈的预习情况，发现薄弱点，针对性教学。

<一> 引言

师：前几节课我们了解了人们在研究光的本性过程提出的几种有代表性的学说。（简单回顾光的微粒说和波动说的发展过程）自从麦克期韦提出光的电磁说，赫兹又用实验证实了麦克斯韦的理论后，光的波动理论发展到了完美的地步。可是，光电效应的发现又给光的波动理论带来了前所未有的困难。今天我们就来通过实验研究光电效应的规律，并且通过分析光电效应的规律弄清为什么波动理论无法解释光电效应现象。评: 点明课题，强调已经十分完美的理论又受到新的实验事实的挑战，引起学生的悬念，激发求知欲。

<二> 新课进行。

1、介绍实验装置。

师：下面给大家介绍一下光电效应实验装置。(分别介绍锌板、铜网、高压电源、检流装置，一边介绍，一边在黑板上画出整个装置的示意图) 评：介绍装置后画出装置示意图，将具体的较复杂的实验装置变为简明的板画，突出了原理，有助于后面对实验事实的进一步分析。

师：现在我把高压电源接通，检流装置接上，为什么检流计不发生偏转?

学生：(集体) 电路还处于断开状态。

师：哪一部分断开?

学生：锌板和铜网之间。中间是空气，不能导电。

师：对。现在让我们用紫外线照射锌板，大家注意观察。(介绍紫外线灯，用紫外照射锌板，检流计指针偏转)

师：刚才用紫外线照射锌板时，看到了什么现象?为什么会出现这种现象?

学生：看到检流计指针发生了偏转，说明电路中出现了电流。

师：这电流可能是哪种原因产生的?

学生：可能是紫外线使空气电离，也可能是紫外线使锌板飞出了电子。

师：对。这两种可能性都有。但是，如果我们用铜板代替锌板，则指针不会发生偏转，这样，排除了哪种可能性?

学生：(集体)排除了空气被电离的可能性。

师：这样，我们就知道，锌板在紫外线的照射下，飞出了电子，这种物体在光照下有电子飞出的现象叫光电效应;在光照下从物体中飞出的电子叫光电子，

电路中的电流叫光电流。

(投影：光电效应，光电子，光电流)(板画：光电效应的形成过程)

评: 这一阶段介绍什么是光电效应。从演示入手，引导学生观察并分析实验现象，为下面的研究光电效应规律作准备。

师：下面我们进一步研究光电效应有哪些规律。

(用应急灯的可见光照射锌板，而后用X射线照射锌板) 刚才分别用可见光和X射线照射锌板，大家看到了什么现象?

学生：(集体)用可见光照射时无电流，用X射线照射时有电流。

师：这又说明了什么呢?

学生：可见光频率较低，不能发生光电效应，X射线频率较高，可以发生光电效应。

师: 对。我们知道，可见光，紫外线，X射线都是电磁波，只是频率高低不同。科学家们还用不同频率的各种电磁波照射同一种金属板，发现，当频率低到一定程度后，不论怎样增大入射光强度，怎样延长照射时间，都无法发生光电效应。这一频率界限就叫极限频率。

(投影：二、规律:，才能发生光电效应。)

师：科学家还发现，发生光电效应时，若将高压电源去掉，检流计中仍能发现有电流通过。这说明什么呢?

学生：飞出的电子不需要加速电压，能从锌板飞向铜网。

师：对。这也说明飞出的电子具有一定的初速度，具有一定的初动能。光电子的这一初动能是从哪里来的呢?

学生：从入射光中获得。

师：对。科学家用不同的光(不同频率，不同光强)照射同一金属。发现：光电子的最大初动能E km与入射光强度无关，只与入射光频率有关，并且随入射光频率的增大而增大。

(投影：2、光电子的最大初动能E km与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大)，这是光电效应的第二条规律。

师：再让我们看一看，在能发生光电效应的情况下，从光照开始到光电效应

发生，需要的时间长短。(用X射线照射锌板，让X射线不断地断、续照射，检流计指针的偏转也断、续发生)刚才大家看到的现象说明了什么问题?

学生：光电效应发生非常快。

师：对。科学家用仪器测出了光电效应的发生时间，在10-9秒以下。在这段时间中，光只能通过约20-30厘米的距离。可以说光电效应的发生几乎是瞬时的。

投影(3、光电效应的发生几乎是瞬时的。)

师：在上面研究的光电效应的第二条规律中，我们知道入射光强不影响光电子的最大初动能，那么入射光强可以对什么发生影响呢?(把紫外线管靠近锌板，改变紫外线管与锌板的距离，检流计指针偏转幅度相应地发生变化)这个现象说明什么?

学生：说明入射光强度增大时，光电流强度也增大。

师：对。精确的实验表明，光电流强度与入射光强度成正比关系，这是光电效应的和4条规律。(投影：4、光电流随入射光强度的增大而增大。) 评：从演示实验入手，一步一步地引导学生观察、分析，尽量让学生自己通过观察、分析获得知识。

师：刚才我们通过对实验现象的观察、分析，得出了光电效应的规律。历史上科学家们通过大量的实验，总结出了光电效应的4条规律，下面大家看课本，熟悉这4条规律。

学生(看书)

师：下面提几个问题。(问题是(1)某光恰能使锌发生光电效应，那么能使课本中表格内哪些金属发生光电效应?(2)表中哪种金属最易发生光电效应?(3)为什么各种金属的极限频率不同?)

学生(分别回答上述三个问题。)

评：上面的学生看书，紧接着教师的提问，达到了巩固对4条规律的理解的目的。

师：（提出新问题）为什么说光的波动理论无法解释光电效应的规律？从光电效应的发生过程来看，电子吸收入射光能量后才能挣脱原子核的束缚，所以我们应从能量的角度来分析光效应。光的波动理论是这样描述光的能量的(1)能量是连续的；(2)振幅（光强）越大，光能越大，光的能量与频率无关。大家想一

想，波动理论为什么无法解释光电效应的规律?我们先来分析第一条规律：存在极限频率。

(提问学生)

学生：按波动理论，光强越大，光能越大，就应该能发生光电效应，而事实不是这样。

师：对。按波动理论，不论什么频率的光，只要光强足够大，就应该发生光电效应，不应存在极限频率。(投影: 波动理论的困难: 1、不应存在极限频率) 师：波动理论能解释光电子的最大初动能与入射光强无关吗?

学生：不能。按波动理论，入射光强越大，光能越大，飞出的光电子初动能就应越大。

师：对。事实是光电子的最大初动能仅与入射光频率有关。(投影：2、光电

子最大初动能E km)

师：光电效应几乎是瞬时发生的。也就是说，不论入射光强多么弱，只要>，就立即能发生光电效应。这用波动理论能解释吗?

学生：不能。按波动理论，光太弱时不能发生光电效应。

师：光太弱时，按波动理论，要达到使光电子飞出的能量，要有一个能量积累过程。事实上光电效应几乎瞬时发生说明一旦发生光电效应，几乎不需要能量的积累过程。(投影: 3、弱光照射时应有能量积累过程，不应瞬时发生) 师：光电效应的第4条规律能用波动理论解释吗?

学生：(集体)能。

师：从刚才的分析中，我们知道，光的波动理论在解释光电效应时遇到了巨大的困难。后来，爱因斯坦在普朗克量子化理论的启发下，提出了光子学说。下面大家看课本：光子学说怎么回事。

评：这部分内容主要从波动理论的主要观点出发，引导学生认识到波动理论的缺陷，为后面引入光子学说做铺垫。)

师：光子说与波动理论的主要区别是什么?

学生：光子说认为能量是一份一份的，与频率有关，而波动说认为能量是连续的，与频率无关。

师：物理研究史上勒纳德却从光电流的角度对光电效应做了很深入的研究，

得出了光电效应的四条规律，因此获得1905年的诺贝尔物理学奖。追寻勒纳德的研究，我们来看看实验原理。（屏幕显示电路原理图，简介电路图）学生（观察，思考）

师：勒纳德研究的首要任务是：光电效应的条件是什么？讲台上也摆放着一套光电流演示仪，先让我们带着这个问题来观察实验现象。（紫光灯照射锌板）学生：灵敏电流计指针偏转，有光电流产生。

师：紫光灯一打开，电流计指针就偏转

师：用普通玻璃板挡在紫光灯与锌板之间

学生：（惊讶）光电流消失了。

师：普通的玻璃就可以阻挡紫外线，可见，可见光能否使锌板发生光电效应呢？

学生观察回答：不能。

师：紫光灯灯光中能使锌板发生光电效应的成分是紫外线

师：再仔细观察光电流的大小。（改变紫光灯与锌板之间的距离）

学生观察回答：（惊讶）靠近时，光电流增大；远离时，光电流减小。

师：用普通玻璃板挡在紫光灯与锌板之间，把紫光灯紧贴锌板，有没有光电流？

学生观察回答：（失望）没有。

师：可见光不能使锌板产生光电效应；一定频率的紫外线可以；伦琴射线也可以。从电磁波普的知识可知，这三者的频率是依次增加，实验发现只有高于一定频率的电磁波才能使锌板发生光电效应。即产生光电效应的条件是学生总结：入射光的频率大于极限频率。入射光的波长小于极限波长

师：知道了光电效应产生条件，我们再来关注它的时效性。实验中不论是伦琴射线还是紫外线引起锌板放出光电子都是很短的时间内就发生的。

师：更精确的研究表明，光电子发射经过的时间至多为10-9秒。光电效应中的光电子到底从哪里来？

学生：原子核外的电子。

师：光电效应中电子克服原子核对它的吸引所做的功不同，光电子的初动能会有差异，其中最大者叫做光电子的最大初动能。现在我们通过实验录像来总结

影响最大初动能的因素。（实验录像）

学生：（观察后总结）光电子的最大初动能与入射光强无关，只随入射光的频率的增大而增大。

师：光电子定向移动形成光电流，但是我们知道光电流有强有弱，我们的实验中就有区别，让我们来看看勒纳德对光电流强度决定因素的研究结果。

学生：通过实验，我们了解到当存在光电流时，饱和光电流强度与入射光的强度成正相关关系

师：在勒纳德的四个结论中，我们很显然的找到了两个实验事实用经典波动理论不能解释，同学们可以尝试寻找这两个矛盾。（学生议论，回答）师：由于光电效应的瞬时性和极限频率的存在不能用经典波动理论来解释，许多物理学家投入到这项研究中，其中爱因斯坦在量子化概念的基础上，大胆地提出光子说，在理论上解决了这两个问题。

（普朗克量子说→光子说→光子说对光电效应地解释→光电效应方程）

（讨论回答：为什么存在极限频率？为什么光电效应发生时间极短？为什么不考虑多个光子能量积累？）

（由多个学生相互补充回答完毕）

师：（对爱因斯坦光电效应方程的理解，例题讲解）简介密立根精确实验证实光电效应方程的历史

六、课堂训练